高賓華 何 訓(xùn) 王其榮 金 灘 尚振濤

1.湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，長沙，410082 2.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲，412002

0 引言

砂輪黏附是制約鋁合金、鈦合金、鈦鋁合金和高溫合金等延塑性金屬磨削加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在這類材料磨削過程中，一般的磨削用量下，砂輪表面就會出現(xiàn)大規(guī)模的黏附。砂輪黏附會導(dǎo)致磨粒變鈍、切削性能變差，使磨削力增大，磨削溫度增高。當(dāng)被黏附的磨粒再次參與切削時(shí)，由于機(jī)械力作用，黏附物會發(fā)生剝離并沉積在已加工零件表面，導(dǎo)致工件表面質(zhì)量變差，產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。目前解決砂輪黏附問題的方法包括：①改進(jìn)工藝條件，盡量避免磨削時(shí)出現(xiàn)砂輪黏附，如優(yōu)化砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改善磨削區(qū)冷卻潤滑條件、合理選取磨削參數(shù)；②允許出現(xiàn)砂輪黏附，但同時(shí)采取特定的方法在線去除黏附物，如水射流清洗、激光清理、在線電解修整、電火花修整等[1]。

大氣孔率砂輪在磨削延塑性金屬時(shí)具有一定的優(yōu)勢。如CAI等[2]對比了傳統(tǒng)陶瓷CBN砂輪(CP-B91，孔隙率為0.35)和大氣孔率陶瓷CBN砂輪(HP-B91，孔隙率為0.4)在磨削鎳基高溫合金時(shí)的性能，其試驗(yàn)表明，HP-B91砂輪相比于CP-B91砂輪的磨削性能更為優(yōu)異，主要是由于其容屑空間較大，利于磨削液進(jìn)入磨削區(qū)，從而降低磨削溫度，減弱黏附形成傾向。但砂輪硬度與氣孔率呈負(fù)相關(guān)，大氣孔率意味著砂輪硬度較低，使用壽命較短[3]。

單層超硬磨料砂輪具有較高的磨粒突出高度和較大的容屑空間，有助于緩解砂輪黏附。如HUANG等[4]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：在高速磨削條件下，釬焊金剛石砂輪適用于AA4032的磨削。

水射流清洗技術(shù)廣泛應(yīng)用于延塑性金屬磨削過程，其基本原理是利用高壓流體對砂輪黏附區(qū)進(jìn)行沖擊，從而實(shí)現(xiàn)黏附物的在線去除。如ADIBI等[5]的研究表明，相比于傳統(tǒng)磨削技術(shù)，采用水射流清洗技術(shù)對鎳基高溫合金進(jìn)行磨削時(shí)，砂輪黏附率和磨削比都顯著降低。水射流清洗技術(shù)的主要缺點(diǎn)是：當(dāng)黏附物以焊接的形式黏附于砂輪表面時(shí)，清洗效果非常有限。此外，高壓流體傳輸時(shí)能耗較高，成本較大[6]。

激光清理技術(shù)是利用高能激光輻照砂輪表面，使黏附物瞬間熔解或汽化，從砂輪表面被清除。如CHEN等[7]利用CO2激光輻照來去除黏附在Al2O3砂輪表面的高溫合金，證明了激光清理技術(shù)在解決砂輪黏附問題方面是有效的。該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是要確保高能激光在去除黏附物時(shí)不損傷砂輪，因而需要同時(shí)考慮黏附物、磨粒和結(jié)合劑的材料特性。

在線電解修整(electrolytic in-process dressing，ELID)和電火花修整(electro-discharge dressing，EDD)能夠?qū)崿F(xiàn)金屬結(jié)合劑超硬砂輪的高效率修整，可以用于解決砂輪黏附問題，其技術(shù)要點(diǎn)是使砂輪表面磨料層與黏附物一同去除。這就必將導(dǎo)致砂輪磨損嚴(yán)重，使用壽命縮短，因而在解決砂輪黏附問題時(shí)ELID和EDD技術(shù)應(yīng)用較少。

電化學(xué)磨削(electrochemical grinding，ECG)也常被用于延塑性金屬的磨削。磨削時(shí)，工件作為陽極，金屬結(jié)合劑導(dǎo)電砂輪作為陰極，砂輪表面凸出的非導(dǎo)電磨料使工件與金屬結(jié)合劑之間保持一定的間隙，避免發(fā)生短路。當(dāng)電流通過時(shí)，作為陽極的工件發(fā)生電化學(xué)溶解，電解產(chǎn)物隨即被砂輪刮除。與傳統(tǒng)磨削相比，ECG技術(shù)具有能耗低和砂輪使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于鈦合金、高溫合金和金屬基復(fù)合材料Al2O3/Al的加工[8-10]。需要注意的是，在ECG技術(shù)中，為了避免電路短路，宜選擇具有較低材料去除率或有粗粒度磨料的砂輪[11]。另外，電解作用也會發(fā)生在磨削區(qū)附近的工件表面[12]，因而ECG加工后工件質(zhì)量一般低于傳統(tǒng)磨削。

由此可見，上述技術(shù)在解決砂輪黏附問題時(shí)都存在一定的局限。鑒于此，GAO等[13]提出了電化學(xué)清理磨削工藝(electrochemical cleaning grinding，ECCG)，該工藝具有針對性強(qiáng)、效率高、能耗低、工藝系統(tǒng)簡單和經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。ECCG工藝成功應(yīng)用的關(guān)鍵是使磨削過程中黏附物的形成率與其電解率相平衡。當(dāng)黏附物的形成率高于電解率時(shí)，電化學(xué)清理效果不明顯；反之，則引起過電解效應(yīng)，導(dǎo)致砂輪損傷和能源浪費(fèi)。砂輪黏附物的形成率與磨削參數(shù)相關(guān)，黏附物的電解率與電解電流成正比。對于給定的磨削條件，可通過調(diào)整工作電壓來控制黏附物的電解率，以實(shí)現(xiàn)黏附和電解的動態(tài)平衡。

基于電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)原理，本文提出了一種利用電解電流定量評估砂輪黏附率的新方法。根據(jù)該方法，結(jié)合磨削機(jī)理分析，確定不同磨削參數(shù)下ECCG工藝所需的工作電壓。為驗(yàn)證所確定的工作電壓的合理性，對AA6061鋁合金反射鏡和TC4鈦合金反射鏡進(jìn)行磨削加工，并對磨削后砂輪表面形貌和工件的面形輪廓、粗糙度及表面形貌進(jìn)行了分析。

1 電化學(xué)清理磨削基本原理

1.1 球面砂輪成形磨削

球面砂輪適用于大尺寸光學(xué)零件的精密加工。如圖1a所示，在磨削過程中，工件被固定在轉(zhuǎn)速為nw的旋轉(zhuǎn)工作臺上。砂輪磨料層的母線輪廓為圓弧，其軸向與工件表面夾角為β0，砂輪轉(zhuǎn)速為ns，進(jìn)給速度為vf。

單位時(shí)間材料去除率

Qw=dcfrvw

(1)

fr=vf/nwvw=2πnwRw

式中，dc為磨削深度；fr為進(jìn)給率；vw為半徑Rw位置處工作臺的線速度。

砂輪-工件間接觸長度lc與進(jìn)給率fr、磨削深度dc、磨料層半徑Rs相關(guān)，定義為

(2)

球面砂輪成形磨削幾何學(xué)分析如圖1b所示，相關(guān)的磨削參數(shù)可以通過對平面磨削進(jìn)行幾何修正導(dǎo)出。對于砂輪磨料層母線上的任意點(diǎn)P，假設(shè)其對應(yīng)的直徑為ds，母線的切線與砂輪軸線夾角為β。相關(guān)的磨削參數(shù)可以通過分析過該點(diǎn)沿β角方向的投影截面得到。直徑為ds的圓形砂輪被投影到和砂輪回轉(zhuǎn)平面成β角的、與過P點(diǎn)的母線的切線相垂直的平面后，呈橢圓形，其長軸長為ds，短軸長為dscosβ。通過P點(diǎn)的砂輪的有效直徑

dse=ds/cosβ

(3)

在該投影面上砂輪的有效切深

(4)

修正后的未變形切屑幾何形狀如圖1c所示。根據(jù)平面磨削理論，磨粒-工件幾何接觸長度lg和最大未變形切屑厚度hm分別為

(a)磨削示意圖

(5)

(6)

式中，Lg為砂輪表面相鄰動態(tài)磨粒間的距離。

1.2 電化學(xué)清理磨削

電化學(xué)清理磨削原理如圖2所示。在磨削過程中，導(dǎo)電超硬磨料砂輪與電源正極連接，紫銅陰極與電源負(fù)極連接。砂輪磨料層由導(dǎo)電超硬磨粒和樹脂結(jié)合劑構(gòu)成，該磨料層屬于復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料。關(guān)于其導(dǎo)電機(jī)理，可以通過宏觀層面上的滲流理論[14]及微觀層面上的隧道效應(yīng)[15]和電場發(fā)射理論[16]來解釋。

圖2 電化學(xué)清理磨削原理

導(dǎo)電磨粒在磨削過程中起3個(gè)方面的作用：作為導(dǎo)電填料，使磨料層具有優(yōu)良的電導(dǎo)性；作為微切削刃，完成工件的切削；作為微電極，是黏附物電解反應(yīng)的發(fā)生場所。

砂輪表面磨粒上黏附物的電解過程被定義為“電化學(xué)清理”，包括5個(gè)過程：液相傳質(zhì)，溶液中的OH-離子向砂輪(陽極)表面遷移；表面轉(zhuǎn)化，OH-離子在磨粒-溶液界面上發(fā)生的表面吸附；電荷轉(zhuǎn)移，黏附金屬M(fèi)發(fā)生陽極溶解，形成陽離子Mn+；表面擴(kuò)散，Mn+向溶液中擴(kuò)散；新相生成，擴(kuò)散的Mn+與OH-結(jié)合生成沉淀M(OH)n。由于電解液的強(qiáng)對流作用，沉淀M(OH)n大部分被磨削液帶走，小部分殘留在磨粒表面，被機(jī)械刮除。

1.3 工作電壓的確定

電化學(xué)反應(yīng)的基本特征是反應(yīng)速度可通過改變工作電壓來調(diào)節(jié)。在給定的磨削條件下，通過調(diào)整工作電壓，使黏附物的形成率與其電解率相平衡，可以避免砂輪黏附對磨削性能的影響。

由于電解液處于強(qiáng)對流狀態(tài)，濃差極化的影響并不顯著，因而可以認(rèn)為黏附金屬的陽極溶解過程是由電化學(xué)極化控制的，過電位與電流密度的關(guān)系可由Butler-Volmer公式表征：

(7)

ηk=Ea-Eeq，k

(8)

式中，下角標(biāo)k表示元素k；i為電流密度；i0為交換電流密度；Ea為陽極電極電位；η為過電位；Eeq為平衡電位；F為法拉第常數(shù)；R為摩爾氣體常數(shù)；n為轉(zhuǎn)移電子數(shù)；α為傳遞系數(shù)；T為反應(yīng)溫度。

如果同一電極上同時(shí)發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上電化學(xué)反應(yīng)，所有的電化學(xué)反應(yīng)都在相同的電極電位上進(jìn)行，則由于不同電化學(xué)反應(yīng)所對應(yīng)的交換電流密度值、平衡電位通常差別很大，故當(dāng)這個(gè)電極上不同反應(yīng)物相對含量發(fā)生變化時(shí)，電路的電解電流必然發(fā)生改變。在電化學(xué)清理磨削過程中，砂輪表面的導(dǎo)電磨粒相當(dāng)于微電極，當(dāng)這些微電極上黏附有金屬材料M時(shí)，電解電流必然發(fā)生變化。這種改變導(dǎo)致與空行程相比，磨削行程中電路的電解電流發(fā)生顯著增大。若將空行程中電路的電解電流定義為背景電流Ib，磨削行程中電路的電解電流定義為清理電流Ic，并假設(shè)微電極表面和黏附物表面的電流均勻分布，則Ib和Ic可分別表示為

Ib=ime，ISSme

(9)

Ic=ime，WS(Sme-Sadh)+iadhSadh

(10)

Sme=λmeS0

(11)

Sadh=λadhSe

(12)

式中，ime，IS為空行程微電極表面的電流密度；Sme為微電極有效面積；ime，WS為磨削行程微電極表面的電流密度；iadh為黏附物表面的電流密度；Sadh為黏附物有效面積；λme為砂輪表面導(dǎo)電磨粒的面積比，即微電極的面積比，可以通過SEM-EDS分析得到；λadh為磨削過程中砂輪的面積黏附率，定義為黏附面積與磨削區(qū)砂輪面積之比；S0為砂輪表面被紫銅陰極覆蓋的面積；Se為有效電解面積，Se正比于砂輪-工件間的接觸長度lc。

綜合式(10)～式(12)，面積黏附率

(13)

在電解過程中，黏附物電解電流Iadh(Iadh=iadh·Sadh)與單位時(shí)間其溶解體積Vdis滿足法拉第電解定律：

Vdis=KadhIadh

(14)

Kadh=ηadhkadh/ρa(bǔ)dh

(15)

式中，Kadh為黏附物的電化學(xué)可加工性系數(shù)，表示每單位電荷溶解的黏附物的體積；ηadh為黏附物的電流效率；kadh為黏附物的電化學(xué)當(dāng)量；ρa(bǔ)dh為黏附物的密度。

值得注意的是，黏附物和工件材料的電化學(xué)可加工系數(shù)、電流效率、電化學(xué)當(dāng)量、密度取值相同。

鑒于電化學(xué)清理磨削過程的復(fù)雜性，在確定工作電壓時(shí)，作如下假設(shè)。

(1)微電極表面每個(gè)元素獨(dú)立于其他元素并與其他元素同時(shí)溶解，且所有的電極反應(yīng)都是在相同的電極電位上進(jìn)行。

(2)磨削過程中微電極面積Sme的變化可以忽略?；谙铝惺聦?shí)：①試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微電極總面積在Ua=1 V的條件下，電解90 min后幾乎保持不變，說明弱的電解作用對微電極面積影響極小[13]；②磨削過程中切削磨粒占砂輪表面總磨粒的比例極小，對于精密磨削，約為0.14%～0.18%[17]；③在黏附萌生階段砂輪表面的黏附率較低。

(3)相同電解條件(即工作電壓相同)下，磨削行程和空行程相比，微電極上電極電位保持不變，也就是微電極表面的電流密度保持不變，即ime，IS=ime，WS。

基于上述假設(shè)，結(jié)合式(9)、式(10)可得

Iadh=iadhSadh=Ic-Ib

(16)

在相同工作電壓Ua下，由于微電極電位為恒定值，iadh的取值保持恒定，因此黏附物有效面積Sadh與黏附物電解電流Iadh近似成正比。另外，假設(shè)微電極上黏附物的平均厚度hadh與未變形切屑厚度hm成正比，則體積黏附率Vadh與黏附物電解電流Iadh和未變形切屑厚度hm的乘積成正比：

Vadh∝hmIadh

(17)

結(jié)合式(12)進(jìn)一步分析可以得到，砂輪表面的單位面積的體積黏附率

vadh∝hmIadh/lc

(18)

對于自鈍化的金屬，其裸金屬(非鈍化狀態(tài))的電壓-電流關(guān)系極難確定，而電化學(xué)清理磨削過程中，由于砂輪轉(zhuǎn)速較高，黏附物在磨削行程處于非鈍化狀態(tài)。為了選擇合適的工作電壓Ua，假設(shè)黏附物金屬電解過程中，電壓-電流成線性關(guān)系。進(jìn)一步地，所施加的工作電壓Ua應(yīng)滿足：

Ua∝hmIadh/lc

(19)

為了方便分析本文定義如下系數(shù)：

(20)

式中，上標(biāo)1和2分別表示第一組和第二組磨削參數(shù)。

如果確定某一磨削參數(shù)下的工作電壓Ua，根據(jù)式(19)、式(20)，可以近似確定另外磨削參數(shù)下的工作電壓Ua：

(21)

2 電化學(xué)清理磨削試驗(yàn)

電化學(xué)清理磨削試驗(yàn)裝置如圖3a所示。試驗(yàn)選用的球面砂輪的磨料層由表面鍍有Ni-P合金的導(dǎo)電金剛石磨粒和酚醛樹脂結(jié)合劑構(gòu)成，具有良好的導(dǎo)電性。磨料粒度76 μm，體積分?jǐn)?shù)為100%，磨料層電阻率約等于150 Ω·mm。導(dǎo)電砂輪的外徑為300 mm，磨料層母線圓弧半徑為100 mm，如圖3b所示。陰極裝置如圖3c所示，陰極工作面為回轉(zhuǎn)曲面，該工作面的母線為半徑等于100 mm的圓弧。陰極工作面設(shè)計(jì)有尺寸為0.5 mm×18 mm的電解液出口，陰極外圓周表面設(shè)計(jì)有電解液入口，陰極工作面與磨料層表面的間距設(shè)置為0.3 mm。

(a)磨削試驗(yàn)現(xiàn)場

試驗(yàn)在MXZX-005型數(shù)控高速高效復(fù)合磨拋試驗(yàn)臺上進(jìn)行，試驗(yàn)臺由湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心設(shè)計(jì)，委托浙江杭機(jī)股份有限公司制造，采用整體立柱、雙磨頭、拖板移動、立軸圓臺布局形式，最大磨削外徑1000 mm，最大磨削高度為300 mm。磨削過程中，砂輪軸向和工作臺平面的夾角β0被設(shè)定為30°。工作電壓由eTM-L303SPL五位可編程直流穩(wěn)壓電源提供。電路電流由NI PXI-4070數(shù)字萬用表測得。

鋁合金廣泛應(yīng)用于制造各類大型光學(xué)器件，雖然易于切削，但由于硬度極低，塑性延伸率較高，在磨削過程中極易發(fā)生砂輪黏附，因此鋁合金磨削加工是非常困難的。鈦合金具有比強(qiáng)度高、韌性高、中等高溫性能和耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，但屬于難切削材料，磨削是其主要加工手段。由于鈦合金導(dǎo)熱性極差，磨削溫度較高，因而在磨削過程中也極易出現(xiàn)砂輪黏附現(xiàn)象。鑒于此，試驗(yàn)選用的工件材料為AA6061鋁合金和TC4鈦合金，材料特性參數(shù)如表1所示。工件尺寸為100 mm×100 mm×30 mm。磨削加工參數(shù)如表2所示，Qw，max和Qw，ave分別表示最大材料去除率和平均材料去除率。

表1 AA6061和TC4的材料性質(zhì)[18-19]

表2 磨削加工參數(shù)

磨削后工件面形輪廓和粗糙度選用泰勒霍普森PGI-1240輪廓儀測量，如圖4所示。磨削后砂輪和工件表面形貌采用基恩士VHX-1000超景深三維顯微鏡測量。

圖4 工件表面質(zhì)量測量裝置

砂輪黏附形成應(yīng)歸因于：磨削溫度升高時(shí)磨粒-工件間的各種物理化學(xué)作用以及工件材料韌性增強(qiáng)的綜合結(jié)果。根據(jù)表1可知，AA6061鋁合金的布氏硬度和斷裂延伸率分別為TC4鈦合金的0.28倍和1.21倍。盡管TC4的熱導(dǎo)率較小，但實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，相同磨削條件下，AA6061磨削過程中砂輪黏附傾向遠(yuǎn)大于TC4。當(dāng)磨削AA6061工件時(shí)，為了避免在確定電解系數(shù)K1、Ks和Kv的過程中，較大材料去除率下可能出現(xiàn)嚴(yán)重的砂輪黏附，本文采用遞推法設(shè)定工作電壓。對于TC4，在確定這些系數(shù)時(shí)，工作電壓設(shè)定為1 V。

3 結(jié)果和討論

3.1 電解電流和電解系數(shù)

AA6061鋁合金磨削過程中，電解電流隨工作電壓Ua和磨削深度dc的變化如圖5所示?？招谐虝r(shí)，電解電流等于背景電流Ib。切入過程中電解電流逐漸增大，且電流信號波動較大。當(dāng)完全切入時(shí)，電解電流達(dá)到最大值，等于最大清理電流。其后，由于工作臺線速度vw減小，瞬時(shí)材料去除率Qw變小，砂輪表面黏附物的形成率減小，電解電流逐漸變小。當(dāng)完全切入后，電解電流近似等于背景電流Ib。相同工作電壓下，磨削深度增大時(shí)，最大清理電流增大。這主要是因?yàn)殡S著磨削深度dc的增大，砂輪表面微電極上黏附物的面積增大，而相同電極電位Ea下，黏附物AA6061的電流密度iadh遠(yuǎn)大于微電極材料Ni-P合金的電流密度ime。

圖5 磨削AA6061工件時(shí)的電解電流

不同Ua和dc下，磨削AA6061工件時(shí)的電解系數(shù)如表3所示，可以看出，當(dāng)dc值小范圍增大時(shí)，Ks值不一定都大于1(如：dc從20 μm增至25 μm，Ks=0.994)，說明面積黏附率λadh不一定增大，這主要是磨削過程的隨機(jī)性導(dǎo)致。當(dāng)dc值較大范圍增大時(shí)，Ks值一定都大于1(如：dc從2 μm增至55 μm，Ks=1.478)，即面積黏附率λadh增大。當(dāng)dc值增大時(shí)，Kv值都大于1，表明體積黏附率Vadh增大。

表3 磨削AA6061工件時(shí)的電解系數(shù)

TC4鈦合金工件磨削過程中，當(dāng)工作電壓Ua=1 V時(shí)，不同磨削深度dc下電流信號如圖6所示。與磨削AA6061工件相似，磨削過程中的電解電流先增大后減小，且當(dāng)dc增大時(shí)，最大清理電流Ic增大。工作電壓Ua=1 V時(shí)，不同dc下的電解系數(shù)如表4所示。由于dc增幅較大，Ks值和Kv值都大于1，說明隨著dc增大，面積黏附率λadh和體積黏附率Vadh都增大。對比圖5和圖6可得，相同工作電壓和磨削深度下(Ua=1 V，dc=

表4 磨削TC4工件時(shí)的電解系數(shù)

圖6 磨削TC4工件時(shí)的電解電流

5 μm)，磨削AA6061工件時(shí)的最大清理電流Ic大于磨削TC4工件時(shí)的最大清理電流Ic，但并不能就此得出磨削AA6061工件時(shí)的砂輪黏附率就一定大于磨削TC4工件的砂輪黏附率。這是由于相同工作電壓下，這兩種黏附物表面的電極電位不一定相同，且這兩種材料的電化學(xué)特性參數(shù)均不相同。

在求得電解系數(shù)Kv值后，如果確定了某一磨削參數(shù)下的工作電壓Ua，則另外磨削參數(shù)下的工作電壓便可確定。當(dāng)磨削深度dc=5 μm時(shí)，對于AA6061和TC4，分別選定工作電壓為1.0 V和0.5 V，并根據(jù)表3和表4進(jìn)一步確定其余磨削深度下所施加的工作電壓，如表5所示。

表5 磨削AA6061和TC4工件時(shí)的工作電壓

3.2 磨削后的工件表面質(zhì)量

磨削后的工件如圖7所示，顯然TC4工件表面較AA6061工件表面更為光滑。工件表面形貌如圖8所示。對于AA6061，磨削后工件表面特征主要包括磨粒耕犁、切削作用形成的劃痕、再沉積物以及剝落或破碎的磨粒導(dǎo)致的劃痕；而對于TC4，磨削后工件表面特征主要包括磨粒耕犁、切削作用形成的劃痕和再沉積物。再沉積物形成主要是由于砂輪表面的磨粒出刃高度不同，導(dǎo)致每顆磨粒上黏附的黏附物體積不同，電解作用雖然能溶解大部分磨粒上的黏附物，但仍然有一部分磨粒殘留有未被溶解的黏附物。當(dāng)這些帶有殘留黏附物的磨粒再次參與切削時(shí)，由于機(jī)械力作用，黏附物會發(fā)生剝離，沉積在已加工零件表面，形成再沉積物。

(a)AA6061 (b)TC4

(a)AA6061 (b)TC4

此外，由于機(jī)械作用，砂輪表面必然有一部分磨粒發(fā)生破碎或脫落，由于AA6061鋁合金硬度極低，這些破碎或脫落的磨粒更容易嵌入磨削后工件表面，形成較深的劃痕，導(dǎo)致表面質(zhì)量變差。當(dāng)磨削深度進(jìn)一步增大時(shí)，磨削后AA6061工件表面形貌特征還包括磨粒耕犁、切削作用形成的塑性疊堆結(jié)構(gòu)、未斷切屑被后續(xù)磨粒重新壓入工件表面形成的結(jié)構(gòu)。

磨削后工件面形輪廓如圖9所示?？梢钥闯觯ハ骱蠊ぜ嫘伪憩F(xiàn)出對稱性，中間低兩側(cè)高。這與磨削過程中工作臺線速度vw從中心到外側(cè)逐漸增大有關(guān)，原因可通過分析單顆磨粒磨削時(shí)的材料去除機(jī)理得到。圖10為單顆磨粒磨削后工件表面形貌。可以看出，沿切削方向，單顆磨粒磨削深度逐漸減小，劃痕兩側(cè)的工件材料塑性疊堆效應(yīng)逐漸變?nèi)?。磨削過程中工作臺線速度vw從工件中心到外側(cè)逐漸增大，導(dǎo)致未變形切削厚度hm逐漸增大，塑性疊堆作用也會逐漸增大。相較于工件中心，工件外側(cè)殘留的材料更多，因此導(dǎo)致磨削后工件輪廓呈中間低兩側(cè)高。磨削后AA6061工件表面的峰谷(PV)值高于TC4工件表面的PV值，原因可能是AA6061磨削過程中塑性疊堆效應(yīng)強(qiáng)于TC4。

(a)AA6061 (b)TC4

圖10 單顆磨粒磨削后工件表面形貌[20]

磨削后工件表面粗糙度Ra隨磨削深度dc的變化如圖11所示。中心、外側(cè)和邊緣分別表示距離工件磨削面幾何中心5 mm、25 mm和45 mm位置處測量得到的Ra值?？梢钥闯觯瑹o論AA6061還是TC4，當(dāng)dc相同時(shí)，中心位置處的Ra值最小，其次是外側(cè)位置處，再次為邊緣位置處。這是因?yàn)樗矔r(shí)材料去除率從工件中心到邊緣逐漸增大，隨著dc增大，相同測量位置處的Ra值逐漸增大。當(dāng)測量位置和磨削深度相同時(shí)，AA6061工件磨削后表面Ra值大于TC4工件磨削后表面Ra值。例如，當(dāng)dc值從5 μm增至55 μm時(shí)，對于AA6061工件，在中心位置處Ra值從0.243 μm增至0.801 μm；對于TC4工件，Ra值從0.219 μm增至0.370 μm。

(a)AA6061 (b)TC4

為了探究ECCG工藝加工大型延塑性金屬零件的潛力，進(jìn)一步對尺寸為200 mm×200 mm×60 mm的AA6061反射鏡進(jìn)行磨削加工。磨削過程分為粗磨、半精磨和精磨三階段，磨削參數(shù)如表6所示。在粗磨和半精磨階段，當(dāng)砂輪處于距離工件旋轉(zhuǎn)中心50 mm內(nèi)的范圍時(shí)，進(jìn)給速度vf=35 mm/min，隨著切削半徑的增大，進(jìn)給速度線性減小，當(dāng)距離為150 mm時(shí)，vf=11.67 mm/min；在精磨階段，當(dāng)砂輪處于距離工件旋轉(zhuǎn)中心50 mm內(nèi)的范圍時(shí)，進(jìn)給速度vf=15 mm/min，隨著切削半徑的增大，進(jìn)給速度線性減小，當(dāng)距離為150 mm時(shí)，vf=5 mm/min，這樣可以使工件邊緣處材料去除率不至于過大，且有利于降低磨削后工件面形輪廓的PV值及工件邊緣位置的粗糙度Ra。

表6 AA6061加工參數(shù)(尺寸200 mm×200 mm)

磨削后工件及其面形輪廓如圖12和圖13所示，PV值為1.964 μm。在距離工件幾何中心5 mm、50 mm和95 mm位置處的表面粗糙度Ra值分別為0.139 μm、0.157 μm和0.174 μm。

圖12 磨削后的工件(200 mm×200 mm)

圖13 磨削后工件面形輪廓(200 mm×200 mm)

磨削試驗(yàn)完成后，砂輪表面形貌如圖14所示。整個(gè)磨削過程并未對砂輪進(jìn)行任何修整?？梢钥闯?，砂輪表面并沒有出現(xiàn)大面積的黏附，只有部分磨粒頂部殘留有微量的未被電解的黏附物，進(jìn)一步證明了所確定的工作電壓是合理的。

(a)放大倍數(shù)20 (b)放大倍數(shù)100

4 結(jié)論

(1)在電化學(xué)清理磨削過程中，砂輪表面的導(dǎo)電磨粒相當(dāng)于微電極，當(dāng)這些磨粒上黏附有工件材料時(shí)，會使參與電極反應(yīng)的反應(yīng)物的種類及相對含量發(fā)生改變。由于不同反應(yīng)物的電化學(xué)特性存在較大差異，黏附物的形成使得電解電流發(fā)生顯著變化，因此，磨削行程中電解電流的大小可以定量反映砂輪表面黏附率的大小。

(2)基于電解電流并結(jié)合磨削機(jī)理分析，確定了不同磨削參數(shù)下ECCG工藝所需的工作電壓，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。磨削試驗(yàn)完成后，砂輪表面并沒有出現(xiàn)大面積的黏附，證明了所確定的工作電壓是合理的。砂輪表面磨粒出刃高度的不同，導(dǎo)致磨粒-工件的微干涉作用具有隨機(jī)性，每顆磨粒上黏附物的量存在差異，電解作用雖然能溶解大部分的黏附物，但仍然有部分磨粒頂部有微量的殘留。

(3)磨削后工件面形表現(xiàn)出對稱性，中間低外側(cè)高，且鋁合金AA6061工件的面形PV值大于鈦合金表面精度TC4工件的面形PV值。由于AA6061硬度較低，剝落或破碎的磨粒極易嵌入磨削后工件表面并產(chǎn)生劃痕，因此其磨削后表面精度較TC4表面精度差。通過優(yōu)化磨削參數(shù)，對200 mm×200 mm的AA6061反射鏡進(jìn)行磨削加工，磨削后的面形PV值為1.964 μm，表面粗糙度值Ra小于0.174 μm，表明ECCG工藝可以適應(yīng)大尺寸延塑性金屬零件的精密加工。

(4)基于電解電流測量砂輪黏附率的方法具有較高靈敏度，但需要精確測量黏附材料裸金屬的電化學(xué)動力學(xué)參數(shù)以及電壓-電流關(guān)系曲線。對于鋁合金、鈦合金這類極易鈍化的金屬，表面鈍化膜的存在導(dǎo)致傳統(tǒng)的電化學(xué)測量技術(shù)不能得到相關(guān)參數(shù)，后續(xù)工作有必要對此展開深入研究。